摘要

電解水制氫有四大技術(shù)路徑，堿性（ALK）、質(zhì)子交換膜（PEM）、陰離子交換膜（AEM）和高溫固體氧化物（SOEC）；其中，較為成熟的是ALK和PEM。

目前，ALK是電解水制氫市場(chǎng)的主流應(yīng)用。ALK的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備成本低，缺點(diǎn)是電耗高、體積大、靈活性差；PEM的電耗低、體積小、靈活度高，但設(shè)備成本高昂阻礙了其大規(guī)模應(yīng)用。

以一臺(tái)1MW電解槽為例，ALK電解槽的成本為80萬(wàn)元，而PEM電解槽成本超300萬(wàn)元。目前，業(yè)內(nèi)基于全新的直通孔結(jié)構(gòu)多孔傳輸層，開(kāi)發(fā)出“六合一”一體化結(jié)構(gòu)，有望將1MW的PEM電解槽成本降至150萬(wàn)元，大幅提高PEM制氫的經(jīng)濟(jì)性。

未來(lái)，PEM制氫技術(shù)對(duì)ALK制氫技術(shù)，能否再現(xiàn)當(dāng)年光伏行業(yè)單晶硅對(duì)多晶硅的替代，我們拭目以待。

“六合一”結(jié)構(gòu)下，1MW的PEM電解槽成本僅150萬(wàn)元，成本下降基于兩點(diǎn)：

①陽(yáng)極多孔傳輸層：陽(yáng)極直通孔結(jié)構(gòu)多孔傳輸層對(duì)傳統(tǒng)鈦氈的替代。

1MW的PEM電解槽，未鍍鉑鈦氈的成本為23萬(wàn)元，未鍍鉑直通孔結(jié)構(gòu)多孔傳輸層的成本僅9萬(wàn)元，成本下降60%。鈦氈→直通孔結(jié)構(gòu)是多孔傳輸層無(wú)序化→有序化的迭代。直通孔結(jié)構(gòu)是在一片薄薄的鈦板上形成眾多有規(guī)則的上下直通的十微米級(jí)小孔，相比鈦氈，一是直通孔結(jié)構(gòu)的孔道上下直通，更有利于反應(yīng)水和氧氣泡的傳輸，二是直通孔結(jié)構(gòu)與催化劑層為面接觸，接觸面更大，電阻更小。

②“六合一”結(jié)構(gòu)：將直通孔結(jié)構(gòu)多孔傳輸層、細(xì)目鈦網(wǎng)、粗目鈦網(wǎng)、鈦平板雙極板、粗目鈦網(wǎng)、細(xì)目鈦網(wǎng)這六層組件按順序焊接成一體化器件，替代現(xiàn)有的“鈦氈+蝕刻鈦雙極板”結(jié)構(gòu)。

兩者相比，“六合一”結(jié)構(gòu)下，一是省去鈦雙極板的蝕刻成本，并減少鈦板厚度，降低鈦材用量；二是“六合一”結(jié)構(gòu)僅需在直通孔結(jié)構(gòu)多孔傳輸層陽(yáng)極側(cè)進(jìn)行貴金屬鍍層，至少減少兩面鍍層，大幅降低貴金屬用量。1MW的PEM電解槽，現(xiàn)有“鈦氈+蝕刻鈦雙極板”（含三面鍍層）為190萬(wàn)元，“六合一”結(jié)構(gòu)（含一面鍍層）成本僅為30萬(wàn)元，成本下降85%。

直通孔結(jié)構(gòu)多孔傳輸層是“六合一”結(jié)構(gòu)的靈魂。一是在性能上，直通孔結(jié)構(gòu)本身相比鈦氈擁有諸多優(yōu)勢(shì)，具有更好的傳質(zhì)能力、更低的接觸電阻,且直通孔結(jié)構(gòu)與鈦網(wǎng)為面接觸，焊接點(diǎn)更牢固，壽命更長(zhǎng)。二是在成本上，直通孔結(jié)構(gòu)可采用PVD鍍法，而鈦氈為保證壽命一般需要采用電鍍，PVD鍍法的貴金屬用量要比電鍍減少50%以上。

目前，業(yè)內(nèi)已有不少企業(yè)開(kāi)始嘗試革命性的直通孔結(jié)構(gòu)多孔傳輸層，以及全新的“六合一”結(jié)構(gòu)，PEM制氫技術(shù)的進(jìn)步和降本如火如荼。

星星之火，可以燎原。相信在這些具備開(kāi)拓精神企業(yè)的引領(lǐng)下，中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)必將接棒鋰電、光伏和風(fēng)電，成為中國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)的新名片。

01

引言

電解水制氫有四大技術(shù)路徑，堿性（ALK）、質(zhì)子交換膜（PEM）、陰離子交換膜（AEM）和高溫固體氧化物（SOEC）；其中，較為成熟的是ALK和PEM。目前，ALK是電解水制氫市場(chǎng)的主流應(yīng)用。ALK的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備成本低，缺點(diǎn)是電耗高、體積大、靈活性差；PEM的電耗低、體積小、靈活性高，但設(shè)備成本高昂阻礙了其大規(guī)模應(yīng)用。

以一臺(tái)1MW（產(chǎn)氫200Nm3/h）電解槽為例，ALK電解槽成本為80萬(wàn)元，而PEM電解槽成本超300萬(wàn)元。目前，業(yè)內(nèi)基于全新的直通孔結(jié)構(gòu)多孔傳輸層，開(kāi)發(fā)出“六合一”一體化結(jié)構(gòu)，有望將1MW的PEM電解槽成本降至150萬(wàn)元，大幅提高PEM制氫經(jīng)濟(jì)性。

未來(lái)，PEM制氫技術(shù)對(duì)ALK制氫技術(shù)，能否再現(xiàn)當(dāng)年光伏行業(yè)單晶硅對(duì)多晶硅的替代，我們拭目以待。

02

多孔傳輸層：鈦氈→直通孔結(jié)構(gòu)，從無(wú)序化→有序化的迭代

PEM電解槽有三個(gè)關(guān)鍵組成部分：①膜電極（質(zhì)子交換膜、陰極鉑催化劑、陽(yáng)極銥催化劑）；②多孔傳輸層（陰極碳基氣體擴(kuò)散層GDL、陽(yáng)極鈦基多孔傳輸層PTL）；③鈦雙極板。電解水制氫過(guò)程中，去離子水從陽(yáng)極側(cè)鈦板流道流入，經(jīng)陽(yáng)極PTL輸送至陽(yáng)極銥催化層，在其表面發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生O2和H+，O2經(jīng)陽(yáng)極PTL從陽(yáng)極鈦極板收集流出，H+穿過(guò)質(zhì)子交換膜在陰極鉑催化層發(fā)生還原反應(yīng)產(chǎn)生H2，H2再經(jīng)陰極GDL從陰極鈦極板收集流出。

多孔傳輸層（Porous Transport Layer, PTL）位于雙極板和陽(yáng)極催化劑層之間，在陽(yáng)極析氧反應(yīng)中起到輸水（反應(yīng)水流入）、排氣（氧氣泡排出）、導(dǎo)熱（熱量導(dǎo)出）、導(dǎo)電作用。

產(chǎn)業(yè)界中，陽(yáng)極多孔傳輸層經(jīng)歷了鈦網(wǎng)→鈦粒燒結(jié)板→鈦纖維燒結(jié)氈（簡(jiǎn)稱(chēng)鈦氈）等結(jié)構(gòu)，鈦氈因?yàn)橹谱鞴に嚭?jiǎn)單、孔隙率高等特點(diǎn)，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外多孔傳輸層的普遍選擇。

全球主要供應(yīng)商為比利時(shí)貝卡爾特，國(guó)內(nèi)鈦氈廠家則主要來(lái)自過(guò)濾材料的生產(chǎn)企業(yè)。

陽(yáng)極多孔傳輸層是氣、液、電、熱四相場(chǎng)的集成。

①PTL是氣、液的交匯場(chǎng)，反應(yīng)水經(jīng)PTL進(jìn)來(lái)，生成的氧氣泡經(jīng)PTL出去，要盡可能讓水、氣的雙向流動(dòng)更順暢、減少對(duì)流阻力；傳統(tǒng)鈦氈結(jié)構(gòu)是無(wú)序化的，其內(nèi)部孔道結(jié)構(gòu)分布隨機(jī)，導(dǎo)致反應(yīng)水和氧氣泡在其內(nèi)部傳輸阻力較大。

②PTL要承擔(dān)導(dǎo)電的功能，需要盡可能增大與催化層的接觸面；鈦氈與催化劑層的接觸為線接觸，接觸面較小，導(dǎo)致氣、液、固三相交界的電化學(xué)反應(yīng)位點(diǎn)較少，阻抗偏高。

③PTL的結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)與其接觸的膜電極造成影響；鈦氈表面的孔徑大小不一，標(biāo)準(zhǔn)差大，較大孔徑甚至可能會(huì)超過(guò)100微米，在陰陽(yáng)極壓差（3.5MPa）下易將膜電極“擠”進(jìn)孔道，產(chǎn)生膜電極“鼓包”；同時(shí)，較大孔徑處更易反應(yīng)、損耗更多，“短板效應(yīng)”會(huì)縮短膜電極整體壽命。

針對(duì)鈦氈結(jié)構(gòu)的不足，行業(yè)內(nèi)開(kāi)發(fā)出全新的直通孔結(jié)構(gòu)多孔傳輸層(簡(jiǎn)稱(chēng)SP-PTL，Straight Pore-PTL)。

從第一性原理看，直通孔結(jié)構(gòu)多孔傳輸層

①孔道上下直通，進(jìn)水、排氧氣更順暢，大電流密度下優(yōu)勢(shì)更明顯；

②與催化劑層為面接觸，較大幅度降低接觸面電阻；

③孔道尺寸小于主流PEM膜的厚度、且孔尺寸均一、標(biāo)準(zhǔn)差小，不易產(chǎn)生膜電極鼓包和反應(yīng)不均一問(wèn)題。1MW的PEM電解槽，未鍍鉑鈦氈的成本為23萬(wàn)元，未鍍鉑直通孔結(jié)構(gòu)的成本僅9萬(wàn)元，成本下降60%。

此外，鈦氈的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其最適宜的鍍層方式為水電鍍，而不太適宜更節(jié)省貴金屬的PVD物理氣相沉積法。鈦氈結(jié)構(gòu)內(nèi)部導(dǎo)電是通過(guò)鈦絲與鈦絲的燒結(jié)點(diǎn)，在陽(yáng)極強(qiáng)氧化、強(qiáng)酸環(huán)境下，通常需要將鈦氈內(nèi)部的所有鈦絲燒結(jié)點(diǎn)均浸沒(méi)在電鍍液中，鍍上鉑金保護(hù)層，以保證壽命。

03

降本利器，PEM“六合一”橫空出世

直通孔結(jié)構(gòu)多孔傳輸層是“六合一”結(jié)構(gòu)的靈魂。

“六合一”結(jié)構(gòu)是將直通孔結(jié)構(gòu)多孔傳輸層、細(xì)目鈦網(wǎng)、粗目鈦網(wǎng)、鈦平板雙極板、粗目鈦網(wǎng)、細(xì)目鈦網(wǎng)這六層組件按順序焊接成一體化器件，替代現(xiàn)有的“鈦氈+蝕刻鈦雙極板”。

直通孔結(jié)構(gòu)在“六合一”中的作用難以被鈦氈取代，一是鈦氈本身在性能上不及直通孔結(jié)構(gòu)效率高，二是直通孔結(jié)構(gòu)與鈦網(wǎng)為面接觸，其焊接點(diǎn)牢固程度要遠(yuǎn)大于鈦氈與鈦網(wǎng)間的線接觸，壽命更長(zhǎng)。三是直通孔結(jié)構(gòu)下的鍍層成本要比鈦氈低很多。直通孔結(jié)構(gòu)的“六合一”，可采用PVD物理鍍法，對(duì)直通孔結(jié)構(gòu)多孔傳輸層陽(yáng)極側(cè)進(jìn)行單面鍍鉑；若采用鈦氈，為保證壽命，需對(duì)鈦氈及整個(gè)“六合一”進(jìn)行水電鍍化學(xué)鍍法，貴金屬用量大大增加。

相較于現(xiàn)有的“鈦氈+蝕刻雙極板+三面鍍鉑”，PEM“六合一”結(jié)構(gòu)降低了三方面成本：

一是用鈦網(wǎng)替代流場(chǎng)，減少了鈦雙極板的蝕刻成本。標(biāo)準(zhǔn)化的鈦網(wǎng)成本遠(yuǎn)低于蝕刻雙極板，同時(shí)，粗目鈦網(wǎng)+細(xì)目鈦網(wǎng)，與SP-PTL形成三級(jí)梯度結(jié)構(gòu)，三級(jí)梯度的孔徑為等比，更有利于氧氣泡的排出。

二是“直通孔結(jié)構(gòu)多孔傳輸層+粗目/細(xì)目鈦網(wǎng)+鈦雙極板”六層組件焊接成一體化器件，減少了2面鉑鍍層成本。在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中，需要對(duì)鈦氈兩面、蝕刻鈦雙極板陽(yáng)極面，共計(jì)3面鍍鉑。在PEM“六合一”中，僅需對(duì)直通孔結(jié)構(gòu)與陽(yáng)極催化層接觸面鍍鉑，極大降低貴金屬用量。PEM器件的一體化還減少了多層接觸面電阻，降低電解電壓，提高了電解效率。

三是在鍍層技術(shù)選擇上，鈦氈因其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，海外常采用電鍍法確保其壽命；而直通孔結(jié)構(gòu)可直接采用PVD鍍層法，鍍層方法簡(jiǎn)單，貴金屬鉑用量可減少50%以上。按1MW的PEM電解槽測(cè)算，現(xiàn)有鈦氈+蝕刻鈦雙極板（含三面鍍層）為190萬(wàn)元，“六合一”結(jié)構(gòu)（含一面鍍層）成本僅為30萬(wàn)元，成本下降85%。

以1MW的PEM電解槽為例，工作電壓1.85V、電流密度1.85A/cm2，50-60℃工況，N115膜。

現(xiàn)有“鈦氈+蝕刻雙極板”結(jié)構(gòu)下，PEM電解槽電堆成本313萬(wàn)元，“六合一”結(jié)構(gòu)下，PEM電解槽電堆成本僅150萬(wàn)元，成本下降50%。若在PEM“六合一”基礎(chǔ)上，考慮膜電極技術(shù)進(jìn)步，如質(zhì)子交換膜國(guó)產(chǎn)化、銥催化劑載量降低，PEM電解槽電堆成本不超過(guò)100萬(wàn)元。

目前，業(yè)內(nèi)已有不少企業(yè)開(kāi)始嘗試革命性的直通孔結(jié)構(gòu)多孔傳輸層，以及全新的“六合一”結(jié)構(gòu)，PEM制氫技術(shù)的進(jìn)步和降本如火如荼。星星之火，可以燎原。相信在這些具備開(kāi)拓精神企業(yè)的引領(lǐng)下，中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)必將接棒鋰電、光伏和風(fēng)電，成為中國(guó)新能源的新名片。

本文作者：國(guó)泰君安證券陳磊、王浩、鮑雁辛

       原文標(biāo)題 : PEM制氫降本“大殺器”來(lái)了